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传感与控制
江南中学 信息技术 选考课程
万物互联的时代
物联网（Internet of Things，简称IoT）是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、 连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的互联互通，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。
一、认识传感器
传感器属于信息输入设备，一般由敏感元件、转换元件、其他辅助元件组成。
敏感元件感受和检出被测对象的待测信息
转换元件将信息转换成有用信号（一般是电信号）
辅助元件包括信号调节和电源
敏感元件
转换元件
信号调节与转换电路
辅助电源
被测量
输出电信号
弱信号
传感器的结构示意图
一、认识传感器
感官
被测量
大脑
人体做出反应
一、认识传感器 – 常见传感器
加速度传感器
记录步数
语音控制
自动亮度
横竖屏切换
指纹解锁
合盖锁屏
指南针
声音传感器
光敏传感器
重力传感器
指纹传感器
霍尔传感器
磁场传感器
二、传感器信息的获取
传感器
被测量
终端设备
显示执行
电信号
信息系统要从传感器获取信息，可以采用多种通信方式，如无线网络，蓝牙，串口（COM接口）等。
Tips：
串口是采用串行通信方式的扩展接口，通信线路简单，一般只要一对传输线就可以实现双向通信，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。目前串口多用于工业控制和测量设备以及部分通信设备中。
模数转换器
数字信号
5*5LED点阵
按钮B
按钮A
Reset按钮
加速度计
电子罗盘
板载蓝牙
CPU和温度
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
micro:bit
光敏传感器
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
micro:bit设备作为采集传感器数据的智能终端，通过Python编程，获取各种传感器的信息。
操作步骤：
1.通过USB连接线将micro:bit接到计算机，并安装串口驱动（注意连接的串口）。
2.编写程序，获取环境数据。
3.通过串口调试工具，查看串口数据。
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
实践1：点阵显示
micro:bit正面有5*5的LED显示屏。
可以用来显示图案和文字。
实践1：点阵显示 1. display.scroll() 滚动显示文字（跑马灯）
2. display.show() 显示图案
3. display.clear() 清空图案
4. sleep() 延时，单位毫秒
5. Image.XXXXX 内置图案
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
实践2：按键交互
button_a：A按钮
button_b：B按钮
is_pressed()
#如果指定的按钮被按下返回True，
否则返回False
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
实践3：光敏传感器
光敏传感器
光线强度变化
计算机
显示执行
电信号
模数转换器
数字信号
read_light_level()
#获取光照强度（0~255）
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
实践4：电子罗盘传感器
罗盘传感器
磁场变化
计算机
显示执行
电信号
模数转换器
数字信号
compass.calibrate()
#初始化指南针模块
compass.heading()
#计算出方向，以度为单位表示，顺时针方向，正北方返回值为0，范围为0~360度。
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
实践5：加速度传感器
加速度传感器
位置移动量
计算机
显示执行
电信号
模数转换器
数字信号
acceleerometer三轴加速度获取x轴，y轴和z轴的位置移动量
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
实践6：温度传感器
温度传感器
环境温度变化
计算机
输出显示
电信号
模数转换器
数字信号
temperature()指读取开发板上自带的温度传感器的数据
print()输出函数，直接输出在串口监视器中
实践5,6：板载传感器 1.加速度传感器 获取x,y,z三轴加速度
2.温度传感器 temperature()获取温度
3.math库 算术平方根：sqrt()
4.print() 串口监视器输出结果
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
小结
补充内容
外接传感器数据获取：
pin0.read_analog
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
实践7：串口数据获取（以温度数据为例）
import serial
ser = serial.Serial()
#设置通信波特率，需要与micro:bit中设定的通信速率一致
ser.baudrate = 115200
#设置串口号
ser.port = 'COM4'
ser.open()
while True:
print(ser.readline())
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
实践8：通过串口发送数据（以表情显示为例）
from microbit import *
while True:
if uart.any(): #判断串口是否输入数据
incoming = str(uart.readall(),“UTF-8”) #读取串口输入的数据
incoming = incoming.strip (“\n”) #去除输入字符串的首位空格
if incoming == "H":
display.show(Image.HAPPY)
print("I am happy")
elif incoming == "S":
display.show(Image.SAD)
print("I am sad")
else:
print("err")
在BXY自带的串口监视器中输入
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
实践9：通过串口发送数据（以表情显示为例）
import serial
ser = serial.Serial()
ser.baudrate = 115200
ser.port = 'COM4'
ser.open()
while True:
code = input("输入指令：")
ser.write(code.encode()) #写入数据，以UTF-8进行编码
通过python程序控制
实践7,8,9：串口通信 1. serial 串口通信模块
2. ser = serial.Serial() 连接串口
3. ser.baudrate = 115200 设置波特率，与micro:bit相同
4. ser.port = 'COM4' 设置串口号
5. ser.open() 打开串口通信
6. ser.readline() 读取一行数据
ser.write(code.encode()) 写入数据
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
小结
实践7,8,9：串口通信 1. uart 串口
2. uart.any() 判断串口中是否输入数据
3. uart.readall() 读取串口中输入的所有数据
二、传感器信息的获取 – 以micro:bit板为工具
小结
这是什么原理？
三、射频识别技术
射频识别，又称无线射频识别（简称RFID），属于无线通信的范畴，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无须在特定目标与识别系统之间建立机械或光学接触。
从信息采集的角度，射频识别技术属于传感技术，是一种自动识别技术，它利用无线射频信号实现无接触信息传递，达到自动识别目标对象的目的。
三、射频识别技术
射频识别的过程，实际上是一种无线传输，发射端发送特定的射频信号，接收端接收到射频信号后，并从中提取出有用信息。
至少需要两大元素：发射端——RFID标签，接收端——RFID读写器
电子标签由芯片和天线组成，每个标签具有唯一的电子编码
按能量供给方式，分为有源标签和无源标签。
按工作频率，分为低频(LF)，高频(HF)，超高频(UHF)和微波频段(MV)四种
三、射频识别技术 – 电子标签
RFID读写器的主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，将信息解码传输到信息系统。
三、射频识别技术 – 读写器
三、射频识别技术 – 应用
三、射频识别技术 – NFC
NFC由RFID演变来，是一种短距高频的无线电技术
NFC芯片的集成度更高，包括了读卡器与标签于一体。NFC的双向通信能力得到了加强。不仅可以当做标签来做识别，还可以作为一种双向通信方式用于数据交换。
目前NFC最常用于支付领域。
读卡器模式：可以从电子标签中读取数据
卡模拟模式：模拟成一张标签或非接触卡，例如支持NFC的手机可以作为门禁卡、银行卡等而被读取
四、信息系统中的控制
信息系统通过传感器能够获取外部世界的各种信息
信息系统通过执行器，可以作用于外部世界。
执行器是指在控制系统中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置
信息系统中的控制机制包含控制器、执行器、受控对象、传感器。
根据控制论，控制的基础是信息，一切信息传递都是为了控制，任何控制又以信息反馈来实现。信息反馈就是由控制系统将信息输送出去，又把作用结果返回来，并影响下次信息输出，起到控制的作用，以达到预期目的
四、信息系统中的控制
控制分为开环控制和闭环控制两种。
开环控制指无反馈信息的系统控制方式，控制的结果不会影响当前的控制输出。如：开灯。一般是瞬间完成。
闭环控制将控制的结果反馈回来与系统设定的希望值比较，并根据它们的误差调整控制作用。如：空调控温系统，热水器水温控制。一般持续一定时间
四、信息系统中的控制
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